蟲洞 -連結白洞和黑洞的多維空間隧道

蟲洞

連結白洞和黑洞的多維空間隧道
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蟲洞(Wormhole)又稱愛因斯坦-羅森橋,是宇宙中可能存在的連線兩個不同時空的狹窄隧道。蟲洞是1930年代由愛因斯坦及納森·羅森在研究引力場方程時假設的,認為透過蟲洞可以做瞬時的空間轉移或者做時間旅行。 

阿爾伯特·愛因斯坦提出該理論。簡單地說,“蟲洞”就是連線宇宙遙遠區域間的時空細管。暗物質維持著蟲洞出口的敞開。蟲洞可以把平行宇宙和嬰兒宇宙連線起來,並提供時間旅行的可能性。蟲洞也可能是連線黑洞和白洞的時空隧道,所以也叫"灰道"。

  • 中文名稱
    時空洞
  • 外文名稱
    Wormhole
  • 理論基礎
    研究引力場方程時假設
  • 適用領域範圍
    天體起源
  • 別    稱
    愛因斯坦-羅森橋
  • 提出時間
    1930年
  • 性    質
    空間想象
  • 類    型
  • 註    音
    ㄔㄨㄥˊ ㄉㄨㄥˋ
  • 拼    音
    chong dong
  • 譯    稱
    蛀孔或蠹孔
  • 提出者
    愛因斯坦及納森·羅森
  • 作    用
    瞬時的空間轉移或者做時間旅行
  • 套用學科
    天體物理
  • 通俗定義
    連線兩個不同時空的狹窄隧道

​基本介紹

蟲洞,英文為:Wormhole

蟲洞是宇宙中可能存在的連線兩個不同時空的狹窄隧道。蟲洞是1916年奧地利物理學家路德維希·弗萊姆首次提出的概念,1930年代由愛因斯坦納森·羅森在研究引力場方程時假設,認為透過蟲洞可以做瞬時間的空間轉移或者做時間旅行。迄今為止,科學家們還沒有觀察到蟲洞存在的證據,一般認為這是由于很難和黑洞相區別。

蟲洞蟲洞

為了與其他種類的蟲洞進行區分,例如量子態的量子蟲洞及弦論上的蟲洞,一般通俗所稱之“蟲洞”應被稱為“時空蟲洞”,量子態的量子蟲洞一般被稱為“微型蟲洞”,兩者有很大的區分。

黑洞有一個特徵,就是會在另一邊得到所謂的“鏡射宇宙”。愛因斯坦並不重視這個解,因為我們根本不可能通行。于是,連線兩個宇宙的“愛因斯坦—羅森橋”(Einstein—Rosen bridge)被認為隻是個數學伎倆。

但是,在1963年時,紐西蘭的數學家羅伊·克爾的研究發現,消耗掉大量氫燃料的的巨大恆星無法與自身引力相抗衡時,會自行崩塌,其中的時空受到大規模扭曲形成黑洞時,將會成為動態黑洞;史瓦西的靜態黑洞並不是最佳的物理解法。然而,實際上恆星會變成扁平的結構,不會形成奇點。也就是說:重力場並非無限大。這使得我們得到了一個驚人的結論:如果我們將物體或太空船沿著旋轉黑洞的旋轉軸心發射進入,原則上,它可能可以熬過中心的重力場,並進入鏡射宇宙。如此一來,愛因斯坦—羅森橋就如同連線時空兩個區域的通道,也就是“蟲洞”。為超弦理論提供了部分理論支持。

蟲洞

早在19世紀50年代,已有科學家對“蟲洞”作過研究,由于當時歷史條件所限,一些物理學家認為,理論上也許可以使用“蟲洞”,但“蟲洞”的引力過大,會毀滅所有進入的東西,因此不可能用在宇宙航行上。

蟲洞

瞬間移動”的可能,如同逾時空轉換。

隨著科學技術的發展,新的研究發現,“蟲洞”的超強力場可以通過“負質量”來中和,達到穩定“蟲洞”能量場的作用。科學家認為,相對于產生能量的“正物質”,“反物質”也擁有“負質量”,可以吸去周圍所有能量。像“蟲洞”一樣,“負質量”也曾被認為隻存在于理論之中。不過,目前世界上的許多實驗室已經成功地證明了“負質量”能存在于現實世界,並且通過航天器在太空中捕捉到了微量的“負質量”。

據科學家猜測,宇宙中充斥著數以百萬計的“蟲洞”,但很少有直徑超過10萬公裏的,而這個寬度正是太空飛船安全航行的最低要求。“負質量”的發現為利用“蟲洞”創造了新的契機,可以使用它去擴大和穩定細小的“蟲洞”。

科學家指出,如果把“負質量”傳送到“蟲洞”中,把“蟲洞”開啟,並強化它的結構,使其穩定,就可以使太空飛船通過。

蟲洞來源

蟲洞的概念最初產生于對史瓦西解的研究中。物理學家在分析白洞——黑洞的相反物理量子解的時候,通過一個阿爾伯特·愛因斯坦的思想實驗,發現宇宙時空自身可以不是平坦的。如果恆星形成了黑洞,那麽時空在史瓦西半徑,也就是視界的地方與原來的時空垂直。在不平坦的宇宙時空中,這種結構就意味著黑洞視界內的部分會與宇宙的另一個部分相結合,然後在那裏產生一個洞。這個洞可以是黑洞,也可以是白洞。而這個彎曲的視界,就叫做史瓦西喉,它就是一種特定的蟲洞。(右圖片繪製:張嘉年)

自從在史瓦西解中發現了蟲洞,物理學家們就開始對蟲洞的性質發生了興趣。

蟲洞連線黑洞和白洞,在黑洞與白洞之間傳送物質。在這裏,蟲洞成為一個阿爾伯特·愛因斯坦—羅森橋,物質在黑洞的奇點處被完全瓦解為基本粒子,然後通過這個蟲洞(即阿爾伯特·愛因斯坦—羅森橋)被傳送到白洞並且被輻射出去。

蟲洞還可以在宇宙的正常時空中顯現,成為一個突然出現的逾時空通路。理論推出的蟲洞還有許多特徵,限于篇幅,這裏不再贅述。

蟲洞蟲洞

總之,目前我們對黑洞、白洞和蟲洞的本質了解還很少,它們還是神秘的東西,很多問題仍需要進一步探討。目前天文學家已經間接地找到了黑洞,但白洞、蟲洞並未真正發現,還隻是一個經常出現在科幻作品中的理論名詞。

蟲洞也是霍金構想的宇宙期存在的一種極細微的洞穴。美國科學家對此做了深入的研究。目前的宇宙中,“宇宙項”幾乎為零。所謂的宇宙項也稱為“真空的能量”,在沒有物質的空間中,能量也同樣存在其內部,這是由愛因斯坦所導入的。宇宙初期的膨脹宇宙,宇宙項是必須的,而且,在基本粒子論裏,也認為真空中的能量是自然呈現的。那麽,為何目前宇宙的宇宙項變為零呢?柯爾曼說明:在爆炸以前的初期宇宙中,蟲洞連線著很多的宇宙,很巧妙地將宇宙項的大小調整為零。結果,由一個宇宙可能產生另一個宇宙,而且,宇宙中也有可能有無數個這種微細的洞穴,它們可通往一個宇宙的過去及未來,或其他的宇宙。

旋轉的或帶有電荷的黑洞內部連線一個相應的白洞,你可以跳進黑洞而從白洞中跳出來。這樣的黑洞和白洞的組合叫做蟲洞。

最後,即使蟲洞存在並且是穩定的,穿過它們也是十分不愉快的。貫穿蟲洞的輻射(來自附近的恆星,宇宙的微波背景等等)將藍移到非常高的頻率。當你試著穿越蟲洞時,你將被這些X射線和伽瑪射線烤焦。蟲洞的出現,幾乎可以說是和黑洞同時的。

理論形成

蟲洞的概念最初產生于對史瓦西解的研究中。物理學家在分析白洞解的時候,通過一個阿爾伯特・愛因斯坦的思想實驗,發現宇宙時空自身可以不是平坦的。如果恆星形成了黑洞,那麽時空在史瓦西半徑,也就是視界的地方與原來的時空垂直。在不平坦的宇宙時空中,這種結構就意味著黑洞視界內的部分會與宇宙的另一個部分相結合,然後在那裏產生一個洞。這個洞可以是黑洞,也可以是白洞。而這個彎曲的視界,就叫做史瓦西喉,它就是一種特定的蟲洞。

自從在史瓦西解中發現了蟲洞,物理學家們就開始對蟲洞的性質產生了興趣。

蟲洞連線黑洞和白洞,在黑洞與白洞之間傳送物質。在這裏,蟲洞成為一個阿爾伯特?愛因斯坦—羅森橋,物質在黑洞的奇點處被完全瓦解為基本粒子,然後通過這個蟲洞(即阿爾伯特·愛因斯坦—羅森橋)被傳送到白洞並且被輻射出去。

蟲洞還可以在宇宙的正常時空中顯現,成為一個突然出現的逾時空通路。

蟲洞沒有視界,它隻有一個和外界的分介面,蟲洞通過這個分介面進行逾時空連線。蟲洞與黑洞、白洞的接口是一個時空通路和兩個時空閉合區的連線,在這裏時空曲率並不是無限大,因而我們可以安全地通過蟲洞,而不被巨大的引力摧毀。

黑洞、白洞、蟲洞仍然是目前宇宙學中“時空與引力篇章”的懸而未解之謎。黑洞是否真實存在,科學家們也隻是得到了一些間接的旁證。當前的觀測及理論也給天文學和物理學提出了許多新問題,例如,一顆能形成黑洞的冷恆星,當它坍縮時,其密度已然會超過原子核、核子、中子……,如果再繼續坍縮下去,中子也可能被壓碎。那麽,黑洞中的物質基元究竟是什麽呢?有什麽斥力與引力對抗才使黑洞停留在某一階段而不再繼續坍縮呢?如果沒有斥力,那麽黑洞將無限地坍縮下去,直到體積無窮小,密度無窮大,內部壓力也無窮大,而這卻是物理學理論所不允許的。

總之,目前我們對黑洞、白洞和蟲洞的本質了解還很少,它們還是神秘的東西,很多問題仍需要進一步探討。目前天文學家已經間接地找到了黑洞,但白洞、蟲洞並未真正發現,還隻是一個經常出現在科幻作品中的理論名詞。

蟲洞示意蟲洞示意

旋轉的或帶有電荷的黑洞內部連線一個相應的白洞,你可以跳進黑洞而從白洞中跳出來。這樣的黑洞和白洞的組合叫做蟲洞。

最後,即使蟲洞存在並且是穩定的,穿過它們也是十分不愉快的。貫穿蟲洞的輻射(來自附近的恆星,宇宙的微波背景等等)將藍移到非常高的頻率。當你試著穿越蟲洞時,你將被這些X射線和伽瑪射線烤焦。蟲洞的出現,幾乎可以說是和黑洞同時的。

物理學家一直認為,蟲洞的引力過大,會毀滅所有進入它的東西,因此不可能用在宇宙旅行之上。但是,假設宇宙中有蟲洞這種物質存在,那麽就可以有一種說法:如果你于12:00站在蟲洞的一端(入口),那你就會于12:00從蟲洞的另一端(出口)出來。

黑洞和黑洞之間也可以通過蟲洞連線,當然,這種連線無論是如何的將強,它還是僅僅是一個連通的“宇宙監獄”。蟲洞(Wormhole),又稱愛因斯坦-羅森橋,是宇宙中可能存在的連線兩個不同時空的狹窄隧道。

產生機製

自然產生機製

蟲洞的自然產生機製有兩種:

蟲洞

其一,是黑洞的強大引力能。

其二,是克爾黑洞的快速旋轉,其倫斯——梯林效應將黑洞周圍的能層中的時空撕開一些小口子。這些小口子在引力能和旋轉能的作用下被擊穿,成為一些十分小的蟲洞。這些蟲洞在黑洞引力能的作用下,可以確定它們的出口在那裏,但是現在還不可能完全完成,因為量子理論和相對論還沒有完全結合。

個人假設

1.蟲洞像河流,通過的物體像船,船順河而下。

2.蟲洞體像一個圓柱形磁鐵,強力的類磁力線在入口處將通過的物體分解,以波的形式在柱心通路運行,在出口處還原。通過的物體類似一個障礙,造成波的某一部分形變,然後這個形變推移到出口。

可能還涉及到橫波、縱波,波的反射、折射、衍射,物質的不均勻、空間的不規則,如同水中氣泡般的宇宙空洞。

3.蟲洞像一個圓柱形隧道,通過時間扭曲,把物體吸入裏面,進行太空旅行。

4.可以這麽說,如果在一張紙的兩邊有兩個點,將紙疊起來,相當于將空間與時間重疊,用筆穿過兩個點所形成的洞就相當于蟲洞,蟲洞可以使時間縮短,但現實卻會經歷很長時間,國外就有這樣的例子.

想象中的蟲洞

蟲洞的出現,幾乎可以說是和黑洞同時的。

蟲洞在史瓦西解中第一次出現,是當物理學家們想到了白洞的時候。他們通過一個愛因斯坦的思想實驗,發現時空可以不是平坦的,而是彎曲的。

我們先來看一個蟲洞的經典作,將物質在黑洞的奇點處被完全瓦解為基本粒子,然後通過這個蟲洞(即愛因斯坦—羅森橋)被傳送到這個白洞的所在,並且被輻射出去。

當然,前面說的僅僅是蟲洞作為一個黑洞和白洞之間傳送物質的道路,但是蟲洞的作用遠不隻如此。

黑洞和黑洞之間也可以通過蟲洞連線,當然,這種連線無論是如何的將強它還是僅僅是一個連通的“宇宙監獄”,

蟲洞不僅可以作為一個連線洞的工具,它還在宇宙的正常時空中出現,成為一個突然出現在宇宙中的超空間通路,

蟲洞沒有視界,因而我們可以安全地通過蟲洞,而不被巨大的引力所毀。

蟲洞性質

利用相對論在不考慮一些量子效應和除引力以外的任何能量的時候,我們得到了一些十分簡單、基本的關于蟲洞的描述。這些描述十分重要,但是由于我們研究的重點是黑洞,而不是宇宙中的洞,因此我在這裏隻簡單介紹一下蟲洞的性質,而對于一些相關的理論以及這些理論的描述,這裏先不涉及。

蟲洞蟲洞

蟲洞有些什麽性質呢?最主要的一個,是相對論中描述的,用來作為宇宙中的高速火車。但是,蟲洞的第二個重要的性質,也就是量子理論告訴我們的東西又明確的告訴我們:蟲洞不可能成為一個宇宙的高速火車。蟲洞的存在,依賴于一種奇異的性質和物質,而這種奇異的性質,就是負能量。隻有負能量才可以維持蟲洞的存在,保持蟲洞與外界時空的分解面持續開啟。當然,狄拉克在芬克爾斯坦參照系的基礎上,發現了參照系的選擇可以幫助我們更容易或者難地來分析物理問題。同樣的,負能量在狄拉克的另一個參照系中,是非常容易實現的,因為能量的表現形式和觀測物體的速度有關。這個結論在膜規範理論中同樣起到了十分重要的作用。根據參照系的不同,負能量是十分容易實現的。在物體以近光速接近蟲洞的時候,在蟲洞的周圍的能量自然就成為了負的。因而以接近光速的速度可以進入蟲洞,而速度離光速太大,那麽物體是無論如何也不可能進入蟲洞的。這個也就是蟲洞的特殊性質之一。

“蟲洞”是廣義相對論中出現的概念,是指宇宙中一種奇特的天體。盡管沒有實驗證據表明蟲洞的真實存在,但科學家預測它以時空端點之間的捷徑形式而存在,並想像蟲洞連線著空洞的太空區域。然而,最新一項研究表明蟲洞可能存在于遙遠的恆星之間。它們並非時空隧道,蟲洞中包含著接近完美程度的流體,可在兩顆恆星之間來回流動,這種流體特征或許是證實蟲洞存在的跡象。

這項最新研究觀點使科學家們置疑是否蟲洞可能存在于不同的普通恆星和中子星。比如:那些正常的恆星和中子星。但它們可能一些能被探測到的差異特征。為了調查這些差異特征,研究人員設計了一個普通恆星中心帶有通道的模型,宇宙物質可在該通道中穿行。兩顆恆星共同分享一個蟲洞將具有獨特的連線性,這是由于蟲洞具有兩個通道口。

由于蟲洞中的奇特物質能夠像恆星之間的液體一樣流動,兩顆恆星將出現不同尋常的脈動方式,這種脈動將釋放不同類型的能量,比如:超強能量。

科學家提出的兩種蟲洞,一個用于在我們所處的宇宙進行星際和星系際旅行,一個用于往返于不同宇宙之間。

蟲洞是一條可以進行時空穿梭的神奇隧道,讓星際甚至星系際旅行不再是一個夢想。科學家認為蟲洞極其不穩定,如果沒有一種帶有負能量的奇異物質讓洞口保持張開狀態,蟲洞會在瞬間突然閉合。然而,根據德國和希臘物理學家進行的研究,蟲洞無需借助這種奇異物質便可處于張開狀態。這一研究發現意味著人類可能在將來的某一天在太空中發現蟲洞。也許,一個先進程度遠超過人類的文明已經借助蟲洞構成的星系際捷運系統往返于不同星系之間,

蟲洞是時間機器?或可連線兩個不同時空

天體物理學家認為蟲洞是一種天然的時間機器,維持蟲洞的開放可以使我們回到過去或者進入未來,當然還沒證據顯示宇宙中存在“巨觀蟲洞”。

量子糾纏

將兩個黑洞糾纏在一起,然後再將它們分離,就可製成一個蟲洞連結在它們之間(基本而言,一條捷徑)。類似地從弦理論來檢視,糾纏兩個誇克也會有同樣的作用。

這些理論結果為一些新理論提供支持。這些新理論表明,引力與它的物理性質不是基礎的,而是來自于量子糾纏。雖然量子力學正確地描述在微觀層次的相互作用,它尚未能夠解釋引力。量子引力理論應該能夠演示出古典引力不是基礎的,就如同阿爾伯特·愛因斯坦所提議,而是從更基礎的量子現象產生

施溫格效應(Schwinger effect)從真空生成的糾纏粒子對,處于電場的作用下,可以被捕獲,不讓它們湮滅回真空。這些被捕獲的粒子相互糾纏,可以對應到四維空間(一種時空的表現)。與之不同,物理學者認為,引力存在于第五維,按照愛因斯坦的定律,將時空彎曲與變形。

根據全息原理(holographic principle),所有在第五維的事件可以變換為在其它四維的事件,因此,在糾纏粒子被生成的同時,蟲洞也被生成。更基礎地,這論述建議,引力與它彎曲時空的能力來自于量子糾纏。

關于時間

時間隨宇宙的變化而變。時間是因變數。——時間的本質,Deng's時間公式

蟲洞蟲洞

t=T(U,S,X,Y,Z......)

U-宇宙;S空間,XYZ,......事件,順序

時間是宇宙事件秩序的計量。時間的本質 

什麽是時間?時間是宇宙事件順序的度量。

時間不是自變數,而是因變數,它是隨宇宙的變化而變化。

t=(S1,S2,S3,...,Sn)

Deng's時間公式:世界事件發生次序的序列。其中,S是事件,S1,S2,S3,...,Sn是事件1,2,3,。....,n發生的順序,時間就是對這些事件發生順序的排序,標志的計量。

時間”是一個計量“事件過程的長短、次序”的“類別名詞”。

時間是人類用以描述物質運動過程或事件發生過程的一個參數,確定時間,是靠不受外界影響的物質周期變化的規律。例如月球繞地球周期,地球繞太陽周期,地球自轉周期,原子震蕩周期等。

時間在數學、物理上用坐標軸表示。“時間”時會出現什麽狀況?怎樣利用時間的本質來思考“衰老”的問題?下面開始細致的分析,內容包括:為什麽有些“事件”可以“同時發生”,有些卻不能?時間與我們有什麽關系?

相關理論

蟲洞有幾種說法:

是空間中的隧道,它就像一個球,你要是沿球面走就遠了。但如果你走的是球裏的一條直徑就近了,蟲洞就是直徑。

是黑洞與白洞的聯系。黑洞可以產生一個勢阱,白洞則可以產生一個反勢阱。宇宙是三維的,將勢阱看作第四維,那麽蟲洞就是連線勢阱和反勢阱的第五維。假如畫出宇宙、勢阱、反勢阱和蟲洞的圖像,它就像一個克萊因瓶——瓶口是黑洞,瓶身和瓶頸的交界處是白洞,瓶頸是蟲洞。

是你說的時間隧道,根據愛因斯坦所說的你可以進行時間旅行,但你隻能看,就像看電影,卻無法改變發生的事情,因為時間是線性的,事件就是一個個珠子已經穿好,你無法改變珠子也無法調動順序。

蟲洞

到現在為止,我們討論的都是普通“完美”黑洞。細節上,我們討論的黑洞都不旋轉也沒有電荷。如果我們考慮黑洞旋轉同時/或者帶有電荷,事情會變的更復雜。特別的是,你有可能跳進這樣的黑洞而不撞到奇點。結果是,旋轉的或帶有電荷的黑洞內部連線一個相應的白洞,你可以跳進黑洞而從白洞中跳出來。這樣的黑洞和白洞的組合叫做蟲洞。

白洞有可能離黑洞十分遠;實際上它甚至有可能在一個“不同的宇宙”--那就是,一個時空區域,除了蟲洞本身,完全和我們在的區域沒有連線。一個位置方便的蟲洞會給我們一個方便和快捷的方法去旅行很長一段距離,甚至旅行到另一個宇宙。或許蟲洞的出口停在過去,這樣你可以通過它而逆著時間旅行。總的來說,它們聽起來很酷。

但在你認定那個理論正確而打算去尋找它們之前,你應該知道兩件事。首先,蟲洞幾乎不存在。正如我們上面我們說到白洞時,隻因為它們是方程組有效的數學解並不表明它們在自然中存在。特別的,當黑洞由普通物質坍塌形成(包括我們認為存在的所有黑洞)並不會形成蟲洞。如果你掉進其中的一個,你並不會從什麽地方跳出來。你會撞到奇點,那是你唯一可去的地方。

還有,即使形成了一個蟲洞,它也被認為是不穩定的。即使是很小的擾動(包括你嘗試穿過它的擾動)都會導致它坍塌。

在史瓦西發現了史瓦西黑洞以後,理論物理學家們對愛因斯坦常方程的史瓦西解進行了幾乎半個世紀的探索。包括上面說過的克爾解、雷斯勒——諾斯特朗姆解以及後來的紐曼解,都是圍繞史瓦西的解研究出來的成果。我在這裏將介紹給大家的蟲洞,也是史瓦西的後代。

蟲洞在史瓦西解中第一次出現,是當物理學家們想到了白洞的時候。他們通過一個愛因斯坦的思想實驗,發現時空可以不是平坦的,而是彎曲的。在這種情況下,我們會十分驚奇的發現,如果恆星形成了黑洞,那麽時空在史瓦西半徑,也就是視界的地方是與原來的時空完全垂直的。在不是平坦的宇宙時空中,這種結構就以為著黑洞的視界內的部分會與宇宙的另一個部分相結合,然後在那裏產生一個洞。這個洞可以是黑洞,也可以是白洞。而這個彎曲的視界,叫史瓦西喉,也就是一種特定的蟲洞。

自從在史瓦西解中發現了蟲洞,物理學家們就開始對蟲洞的性質感到好奇。

我們先來看一個蟲洞的經典作用:連線黑洞和白洞,成為一個愛因斯坦——羅森橋,將物質在黑洞的奇點處被完全瓦解為基本粒子,然後通過這個蟲洞(即愛因斯坦——羅森橋)被傳送到這個白洞的所在,並且被輻射出去。黑洞和黑洞之間也可以通過蟲洞連線,當然,這種連線無論是如何的將強,它還是僅僅是一個連通的“宇宙監獄”。

蟲洞不僅可以作為一個連線洞的工具,它還在宇宙的正常時空中出現,成為一個突然出現在宇宙中的超空間通路。

蟲洞沒有視界,它有的僅僅是一個和外界的分解面。蟲洞通過這個分解面和超空間連線,但是在這裏時空曲率不是無限大。就好比在一個在平面中一條曲線和另一條曲線相切,在蟲洞的問題中,它就好比是一個四維通路和一個三維的空間相切,在這裏時空曲率不是無限大。因而我們現在可以安全地通過蟲洞,而不被巨大的引力所摧毀。

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星空最後的前沿

探索星空是人類一個恆久的夢想。 在晴朗的夜晚,每當我們仰起頭來, 就會看到滿天的繁星。自古以來, 星空以它無與倫比的浩瀚、深邃、 美麗及神秘激起著人類無數的遐想。著名的美國科幻電視連續劇《星際旅行》(Star Trek) 中有這樣一句簡短卻意味無窮的題記:星空, 最後的前沿(Space, the final frontier)[註一]。當我第一次觀看這個電視連續劇的時候, 這句用一種帶有磁性的話外音念出的題記給我留下了令人神往的印象。

蟲洞蟲洞

在遠古的時候, 人類探索星空的方式是肉眼,後來開始用望遠鏡, 但人類邁向星空的第一步則是在一九五七年。那一年, 人類發射的第一個航天器終于飛出了我們這個藍色星球的大氣層。十二年後, 人類把足跡留在了月球上。三年之後, 人類向外太陽系發射了先驅者十號深空探測器。一九八三年, 先驅者十號飛離了海王星軌道,成為人類發射的第一個飛離太陽系的航天器[註二]。

從人類發射第一個航天器以來,短短二十幾年的時間裏, 齊奧爾科夫斯基所預言的“人類首先將小心翼翼地穿過大氣層, 然後再去征服太陽周圍的整個空間”就成為了現實, 人類探索星空的步履不可謂不迅速。但是, 相對于無盡的星空而言,這種步履依然太過緩慢。 率先飛出太陽系的先驅者十號如今正在一片冷寂的空間中滑行著,在滿天的繁星之中, 要經過多少年它才能飛臨下一顆恆星呢?答案是兩百萬年! 那時它將飛臨距離我們六十八光年的金牛座(Taurus)[註三]。六十八光年的距離相對于地球上的任何尺度來說都是極其巨大的, 但是相對于遠在三萬光年之外的銀河系中心,遠在兩百二十萬光年之外的仙女座大星雲,遠在六千萬光年之外的室女座星系團,以及更為遙遠的其它天體來說無疑是微不足道的。人類的好奇心是沒有邊界的, 可是即便人類航天器的速度再快上許多倍,甚至接近物理速度的上限 - 光速,用星際空間的距離來衡量依然是極其緩慢的。

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旅行家的天堂

一九八五年, 美國康乃爾大學(Cornell University) 的著名行星天文學家卡爾· 薩根(Carl Sagan) 寫了一部科幻小說,叫做《接觸》 (Contact)。薩根對探索地球以外的智慧生物有著濃厚的興趣,他客串科幻小說家的目的之一是要為尋找外星智慧生物的 SETI 計畫籌集資金。他的這部小說後來被拍成了電影, 為他贏得了廣泛的知名度。

薩根在他的小說中敘述了一個動人的故事: 一位名叫艾麗(Ellie) 的女科學家收到了一串來自外星球智慧生物的電波信號。經過研究, 她發現這串信號包含了建造一台特殊設備的方法,那台設備可以讓人類與信號的傳送者會面。 經過努力,艾麗與同事成功地建造起了這台設備, 並通過這台設備跨越了遙遠的星際空間與外星球智慧生物實現了第一次接觸。

但是, 艾麗與同事按照外星球智慧生物提供的方法建造出的設備究竟利用了什麽方式讓旅行者跨越遙遠的星際空間的呢?這是薩根需要大膽 “幻想”的地方。 他最初的構想是利用黑洞。但是薩根畢竟不是普通的科幻小說家, 他的科學背景使他希望自己的科幻小說盡可能地不與已知的物理學定律相矛盾。于是他給自己的老朋友, 加州理工大學(California Institute of Technology) 的索恩(Kip S. Thorne) 教授打了一個電話。索恩是研究引力理論的專家, 薩根請他為自己的構想做一下技術評估。索恩經過思考及粗略的計算, 很快告訴薩根黑洞是無法作為星際旅行的工具的,他建議薩根使用蟲洞 (wormhole) 這個概念。據我所知, 這是蟲洞這一名詞第一次進入科幻小說中[註四]。在那之後, 各種科幻小說、電影、 及電視連續劇相繼採用了這一名詞,蟲洞逐漸成為了科幻故事中的標準術語。 這是科幻小說家與物理學家的一次小小交流結出的果實。

薩根與索恩的交流不僅為科幻小說帶來了一個全新的術語, 也為物理學開創了一個新的研究領域。在物理學中, 蟲洞這一概念最早是由米斯納(C. W. Misner) 與惠勒(J. A. Wheeler) 于一九五七年提出的,與人類發射第一個航天器恰好是同一年。 那麽究竟什麽是蟲洞?它又為什麽會被科幻小說家視為星際旅行的工具呢? 讓我們用一個簡單的例子來說明:大家知道, 在一個蘋果的表面上從一個點到另一個點需要走一條弧線,但如果有一條蛀蟲在這兩個點之間蛀出了一個蟲洞, 通過蟲洞就可以在這兩個點之間走直線,這顯然要比原先的弧線來得近。 把這個類比從二維的蘋果表面推廣到三維的物理空間,就是物理學家們所說的蟲洞, 而蟲洞可以在兩點之間形成快捷路徑的特點正是科幻小說家們喜愛蟲洞的原因[註五]。隻要存在合適的蟲洞, 無論多麽遙遠的地方都有可能變得近在咫尺,星際旅行家們將不再受製于空間距離的遙遠。在一些科幻故事中, 技術水準高度發達的文明世界利用蟲洞進行星際旅行就像今天的我們利用高速公路在城鎮間旅行一樣。在著名的美國科幻電影及電視連續劇《星際之門》(Stargate,港台譯 星際奇兵) 中人類利用外星文明留在地球上的一台被稱為“星際之門” 的設備可以與其它許多遙遠星球上的“星際之門” 建立蟲洞連線,從而能夠幾乎瞬時地把人和設備送到那些遙遠的星球上。 蟲洞成為了科幻故事中星際旅行家的天堂。

不過米斯納與惠勒所提出的蟲洞是極其微小的, 並且在極短的時間內就會消失,無法成為星際旅行的通道。 薩根的小說發表之後,索恩對蟲洞產生了濃厚的興趣, 並和他的學生莫裏斯(Mike Morris) 開始對蟲洞作深入的研究。與米斯納和惠勒不同的是, 索恩感興趣的是可以作為星際旅行通道的蟲洞,這種蟲洞被稱為可穿越蟲洞 (traversable wormhole)。

負能量物質

那麽什麽樣的蟲洞能成為可穿越蟲洞呢?一個首要的條件就是它必須存在足夠長的時間, 不能夠沒等星際旅行家穿越就先消失。因此可穿越蟲洞首先必須是足夠穩定的。 一個蟲洞怎樣才可以穩定存在呢?索恩和莫裏斯經過研究發現了一個不太妙的結果, 那就是在蟲洞中必須存在某種能量為負的奇特物質!為什麽會有這樣的結論呢? 那是因為物質進入蟲洞時是向內匯聚的,而離開蟲洞時則是向外飛散的, 這種由匯聚變成飛散的過程意味著在蟲洞的深處存在著某種排斥作用。由于普通物質的引力隻能產生匯聚作用, 隻有負能量物質才能夠產生這種排斥作用。因此, 要想讓蟲洞成為星際旅行的通道,必須要有負能量的物質。 索恩和莫裏斯的這一結果是人們對可穿越蟲洞進行研究的起點。

索恩和莫裏斯的結果為什麽不太妙呢? 因為人們在巨觀世界裏從未觀測到任何負能量的物質。事實上, 在物理學中人們通常把真空的能量定為零。所謂真空就是一無所有, 而負能量意味著比一無所有的真空具有“更少” 的物質,這在經典物理學中是近乎于自相矛盾的說法。

蟲洞

但是許多經典物理學做不到的事情在二十世紀初隨著量子理論的發展卻變成了可能。負能量的存在很幸運地正是其中一個例子。 在量子理論中,真空不再是一無所有, 它具有極為復雜的結構,每時每刻都有大量的虛粒子對產生和湮滅。一九四八年, 荷蘭物理學家卡什米爾(Hendrik Casimir) 研究了真空中兩個平行導體板之間的這種虛粒子態,結果發現它們比普通的真空具有更少的能量, 這表明在這兩個平行導體板之間出現了負的能量密度!在此基礎上他發現在這樣的一對平行導體板之間存在一種微弱的相互作用。 他的這一發現被稱為卡什米爾效應。將近半個世紀後的一九九七年, 物理學家們在實驗上證實了這種微弱的相互作用,從而間接地為負能量的存在提供了證據。除了卡什米爾效應外, 二十世紀七八十年代以來,物理學家在其它一些研究領域也先後發現了負能量的存在。

因此,種種令人興奮的研究都表明, 宇宙中看來的確是存在負能量物質的。但不幸的是, 迄今所知的所有這些負能量物質都是由量子效應產生的,因而數量極其微小。 以卡什米爾效應為例,倘若平行板的間距為一米, 它所產生的負能量的密度相當于在每十億億立方米的體積內才有一個(負質量的) 基本粒子!而且間距越大負能量的密度就越小。 其它量子效應所產生的負能量密度也大致相仿。因此在任何巨觀尺度上由量子效應產生的負能量都是微乎其微的。

另一方面,物理學家們對維持一個可穿越蟲洞所需要的負能量物質的數量也做了估算, 結果發現蟲洞的半徑越大,所需要的負能量物質就越多。 具體地說,為了維持一個半徑為一公裏的蟲洞所需要的負能量物質的數量相當于整個太陽系的質量。

如果說負能量物質的存在給利用蟲洞進行星際旅行帶來了一絲希望,那麽這些更具體的研究結果則給這種希望潑上了一盆無情的冷水。 因為一方面迄今所知的所有產生負能量物質的效應都是量子效應,所產生的負能量物質即使用微觀尺度來衡量也是極其微小的。 另一方面維持任何巨觀意義上的蟲洞所需的負能量物質卻是一個天文數位!這兩者之間的巨大鴻溝無疑給建造蟲洞的前景蒙上了濃重的陰影。

探險者的地獄

雖然數位看起來令人沮喪, 但是別忘了當我們討論蟲洞的時候,我們是在討論一個科幻的話題。 既然是討論科幻的話題,我們姑且把眼光放得樂觀些。 即使我們自己沒有能力建造蟲洞,或許宇宙間還存在其它文明生物有能力建造蟲洞, 就象《星際之門》的故事那樣。甚至, 即使誰也沒有能力建造蟲洞,或許在浩瀚宇宙的某個角落裏存在著天然的蟲洞。因此讓我們姑且假設在未來的某一天人類真的建造或者發現了一個半徑為一公裏的蟲洞。

我們是否就可以利用它來進行星際旅行了呢?

初看起來半徑一公裏的蟲洞似乎足以滿足星際旅行的要求了, 因為這樣的半徑在幾何尺度上已經足以讓相當規模的星際飛船通過了。看過科幻電影的人可能對星際飛船穿越蟲洞的特技處理留有深刻的印象。 從螢幕上看,飛船周圍充斥著由來自遙遠天際的星光和輻射組成的無限絢麗的視覺幻象, 看上去飛船穿越的似乎是時空中的一條狹小的通道。

但實際情況遠比這種幻想來得復雜。 事實上為了能讓飛船及乘員安全地穿越蟲洞,幾何半徑的大小並不是星際旅行家所面臨的主要問題。 按照廣義相對論,物質在通過象蟲洞這樣空間結構高度彎曲的區域, 會遇到一個十分棘手的問題,那就是張力。這為由于引力場在空間各處的分布不均勻所造成的,它的一種大家熟悉的表現形式就是海洋中的潮汐。由于這種張力的作用, 當星際飛船接近蟲洞的時候,飛船上的乘員會漸漸感覺到自己的身體在沿蟲洞的方向上有被拉伸的感覺, 而在與之垂直的方向上則有被擠壓的感覺。這種感覺便是由蟲洞引力場的不均勻造成的。 一開始,這種張力隻是使人稍有不適而已, 但隨著飛船與蟲洞的接近,這種張力會迅速增加, 距離每縮小到十分一,這種張力就會增加約一千倍。 當飛船距離蟲洞還有一千公裏的時候,這種張力已經超出了人體所能承受的極限, 如果飛船到這時還不趕緊折回的話,所有的乘員都將在致命的張力作用下喪命。 再往前飛一段距離,飛船本身將在可怕的張力作用下解體, 而最終,瘋狂增加的張力將把已經成為碎片的飛船及乘員撕成一長串亞原子粒子。從蟲洞另一端飛出的就是這一長串早已無法分辨來源的亞原子粒子!

這就是星際探險者嘗試穿越半徑為一公裏的蟲洞將會遭遇的結局。半徑一公裏的蟲洞不是旅行家的天堂, 而是探險者的地獄。

因此一個蟲洞要成為可穿越蟲洞, 一個很明顯的進一步要求就是:飛船及乘員在通過蟲洞時所受到的張力必須很小。 計算表明,這個要求隻有在蟲洞的半徑極其巨大的情況下才能得到滿足[註六]。 那麽究竟要多大的蟲洞才可以作為星際旅行的通道呢?計算表明, 半徑小于一光年的蟲洞對飛船及乘員產生的張力足以破壞物質的原子結構,這是任何堅固的飛船都無法經受的, 更遑論脆弱的飛船乘員了。因此, 一個蟲洞要成為可穿越蟲洞,其半徑必須遠遠大于一光年。

從科幻到現實

但另一方面, 一光年用日常的距離來衡量雖然是一個巨大的線度,用星際的距離來衡量, 卻也不算驚人。我們所在的銀河系的線度大約是它的十萬倍, 假如在銀河系與兩百二十萬光年外的仙女座大星雲之間存在一個蟲洞的話,從線度上講它隻不過是一個非常細小的通道。 那麽會不會在我們周圍的星際空間中真的存在這樣的通道,隻不過還未被我們發現呢? 答案是否定的。因為半徑為一光年的蟲洞真正驚人的地方不在于它的線度, 而在于維持它所需的負能量物質的數量。計算表明, 維持這樣一個蟲洞所需的負能量物質的數量相當于整個銀河系中所有發光星體質量總和的一百倍!這樣的蟲洞產生的引力效應將遠比整個銀河系的引力效應更為顯著, 如果在我們附近的星際空間中存在這種蟲洞的話,周圍幾百萬光年內的物質運動都將受到顯著的影響,我們早就從它的引力場中發現其蹤跡了。

因此不僅在地球上不可能建造可穿越蟲洞,在我們附近的整個星際空間中都幾乎不可能存在可穿越蟲洞而未被發現。

這樣看來,我們隻剩下一種可能性需要討論了, 那就是在宇宙的其它遙遠角落裏是否有可能存在可穿越蟲洞?對于這個問題, 我們也許永遠都無法確切地知道結果,因為宇宙實在太大了。 但是維持可觀測蟲洞所需的數量近乎于天方夜譚的負能量物質幾乎為我們提供了答案。迄今為止, 人類從未在任何巨觀尺度上發現過負能量物質,所有產生負能量物質的實驗方法利用的都是微弱的量子效應。為了能夠維持一個可穿越蟲洞, 必須存在某種機製把量子效應所產生的微弱的負能量物質匯集起來,達到足夠的數量。 但是負能量物質可以被匯聚起來嗎?最近十幾年來物理學家們在這方面做了一些理論研究, 結果表明由量子效應產生的負能量物質是不可能無限製地加以匯聚的。負能量物質匯聚得越多, 它所能夠存在的時間就會越短。因此一個蟲洞沒有負能量物質是不穩定的, 負能量物質太多了也會不穩定!那麽到底什麽樣的蟲洞才能夠穩定的呢? 初步的計算表明,隻有線度比原子的線度還要小二十幾個數量級的蟲洞才是穩定的[註七]!

這一系列結果無疑是非常冷酷的, 如果這些結果成立的話,存在可穿越蟲洞的可能性就基本上被排除了, 所有那些美麗的科幻故事也就都成了鏡花水月。不過幸運 (或不幸) 的是,上面所敘述的許多結果依據的是目前還比較前沿 - 因而相對來說也還比較不成熟- 的物理理論。未來的研究是否會從根本上動搖這些理論, 從而完全推翻我們上面介紹的許多結果,還是一個未知數。 退一步講,即使那些物理理論基本成立, 上面所敘述的許多結果也隻是從那些理論推出的近似結果或特例。比方說, 許多結果假定了蟲洞是球對稱的,而實際上蟲洞完全可以是其它形狀的, 不同形狀的蟲洞所要求的負能量物質的數量,所產生張力的大小都是不同的。 所有這些都表明即使那些物理理論真的成立,我們上面提到的結論也不見得是完全

開啟它的方法就是共鳴利用物質間相互吸引原理使兩時空蟲洞正反兩種物質能量互相吸引從而開啟它,但這兩種能量是光能量與暗能量

蟲洞至始至終從未有一個人發現過,☆可以將一個地帶帶到另一個的地帶。

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